声场的物理性数学性解剖.docx

1、声场的物理性数学性解剖怀旧：完整版！壮举啊！ 声场的物理性/数学性解剖！ (2007-8-29)引子：HIFI里面，比较玄学的是声场；耳烧里面，争论得很多的，也是声场。更有甚者，提出了耳机/耳塞无声场论。 迫使我不得不静下心来，撰写这篇声场的物理性/数学性解剖。 _B_%_8yS 注意：本文将涉及到一些数学推算，所以希望有兴趣的朋友认真阅读，不要走马看花。 r:bJU1P1$s =D_q&lm,n 另外，本文核心内容和数学证明，是属于本人原创，非网络转载，如果有错误之处（基本上是无错误的，但是有缺陷，我会在文中指出）；也请各位心平气和的共同探讨以进一步完善。但是，我不欢迎专牛角尖类型的探讨。

2、;_stjqT_d H_E_w_j_L 文章将要解决的问题： P P_ J_;s #Qf#T%5h 1） 什么是声场。 Rge20uTl$ (m R)o&Y%, 2）耳塞有无声场。 OCj_YC_ blQ_&QQ_L 3）为何耳机声场不如箱子。 &_vD_(hX *:n7B_. 4）如何通过软件运算来模拟扩大声场距离感。 A_YP_Xi _t1_wL_ 5）箱子的摆位如何影响声场。 S_($/Ov_ f_n,n_E_ 6）究竟如何获取最真实的声场。 %1iT!_g8 _(_39f T_9.xhK |yk/_i_O( (pwHNSafk 声场的定义明确下来，我们才可以有的放矢，才可以数学建模，来

3、用数学的方式表达和证实声场。 L(y_US)O XLa_J_;j pJ/l% _We$ n_ Max(dT) 0.0005秒，发生方位角a=0或者180度的情况下，也就是，当音源-左耳朵-右耳朵成一直线的情况下这个应该很好理解。 _/xaAJ|_ ,i_YhD-_ 当方位角a变化的时候，dT也发生相应的变化，a=0度开始，dT慢慢减少，一直到a=90度的时候，音源距离左右耳朵相等，此时dT=0。然后，超过90度后，左耳朵开始先听到声音，此时dT变成负的了。一直到a=180度，此时dT= - 0.0005秒。 _n_am_eW $_B_?8_? 时间差解决了方位角问题，但是，它无法解决距离L问题

4、。很简单的例子: 音源不管是在100公里外，还是在1米外，只要音源是和左右耳朵成一直线，那么dt一直是0.0005秒。根据dt，大脑根本无法判断音源究竟离耳朵多远。 这个艰巨的任务，交给了强度差来处理。 LT$t%V0?.e K/B$1+_O 插一句，理解的读者应该看出这里面有个问题，即耳朵如何通过时间差来判断前后方向的问题，因为声音是X轴对称的。实际上，这是由人耳耳廓结构造成的HRFT来判定前后的，我下文会详细讲解。 564L.$| _/ 1G_mga5 还是回到老问题上，左右耳声音强度差如何判断出音源距离。 Y7_+c/co 8nBYP+t_,e 声音，在空气中的传播，有一个很重要的特点，

5、就是声音强度在离开音源后，先急速下降，再慢慢下降，强度的衰减的速度随着距离的增加而减缓。一个简单的例子：你把耳朵贴在喇叭上，即使喇叭声音很低，也会觉得太响了。离开喇叭才10cm，声音马上就降低下来；再离开1米，声音降低的程度就随着距离的增加开始减弱。 4G:|N._p m7NW_gXJ _pfDb_Y! D(_RrlPW0 |A_POTQ_V 这里的强度差，是指左右耳听到的声音强度之差。 %Cn_VK1u! nP7_9F0%2 举一个例子：拿起你的右手，尽量贴近你的右耳朵，打一个响指，OK，是不是右耳朵被很响的震了一下，左耳朵则没听到多少声响？ 也就是，此时左右耳声音强度差很大。而且，你的大脑

6、在那个0.0005秒的瞬间，计算出：我靠！这么大的强度差，肯定音源就在我耳边，距离非常近！ 0:3CpO_* _!_Z _,dN 然后，你再试试看，不要再贴近你的右耳朵，用右手在右前方再打一个响指，此时，是不是右耳朵听到的还是比左耳朵响？但是，此时的强度差没有刚才那么大了。当然，你的大脑也在瞬间反应出来：强度差不大，呵呵，这种强度差，音源差不多距离我半米左右吧。 q_f7D M t2_ L|i 呵呵，通过这个活生生的例子，你基本上明白了，强度差和音源距离的关系。 j_qvw+# /_|NyO+Io 强度差越大，表明音源越近，你的大脑越容易判断出大概距离。-这是由声音强度衰减特性决定的，距离越近

7、，衰退越快速。 ! _1_?u0 bZw-t!M 强度差越低，表明音源越远，你的大脑越难判断出大概距离。- 比如打雷，左耳朵和右耳朵基本上听到的是相同强度的声音，于是你迷糊了，究竟这个雷，打在10KM处还是100KM处？天知道！ jJY_CGK$_= c|_m?_f 耳朵感知的音源距离=左右耳强度差的倒数。 Qu_HeS_A_ &WEtaX_aa 下面，我用经验数学公式来描述强度差与音源距离的上述关系，也就是： L(判)=1/（ P（左）-P（右）= 1/P(原)/L（左）2- P(原)/L（右）2. b; _;_y|H n|=y_w6aV j;_LpM_ 细心的朋友，会发现一个问题。当方位角

8、a很小（比如0度）的时候，那么强度差很容易听到。但是随着a角度上去后，强度差开始变得不明显，特别是当a角=90度的时候，左右声音强度差就等于0了，此时还能用强度差来判断距离么？ #/MYh_=!W U!Rf_RD. B%_#Ol 嗬嗬，这种根据经验声音强度差来判断，完全是一种大脑后天培养的能力所以这种能力会存在缺陷。举个例子：每年夏夜，你都会听到蛐蛐叫；听了多少年了，只听到声音，从没有晚上起来拿手电去查个究竟，看看蛐蛐究竟离你多远-反正比较远，因为你两个耳朵听到的蛐蛐的叫声强度差不多。 I_._6#= _h_*_sV_ 多少年过去了，今天晚上，你躺在床上再好好听一下蛐蛐的叫声（夏夜，应该听得到

9、吧，反正我这里能听到）：你会发现，你很容易听出来蛐蛐的方位角。 但是，你无法听出来，蛐蛐离你大概多少远，即使你很认真地去听，很认真地去想，也很难。因为-你大脑中还没有蛐蛐叫声的参照系统。好比你看天上的星星，你不知道究竟是那颗亮一点的星星离我们远呢，还是那颗暗一点的星星离我们远因为没有参照物。 =_W t_ : SD_ 3 而且，根据经验声音强度差来判断距离会产生错觉。再举个例子：你用MX500听交响，如果根据经验声音强度差来判断，会出现如下谬论：音量开高了，难道就距离近了，声场下来了？音量开低了，难道距离远了，声场拉开了？呵呵，你的大脑聪明得很，它会告诉你，此时它不知道！ 1-4*_Y_r_A

10、 IP _1gMG_ 洋洋洒洒这么多文字，基本上讲清楚了耳朵的声场定位的原理和局限。先总结总结，以免你们忘记： FRE$_Xd Pp6_ 1） 当音源和左右耳成直线距离时（也就是方位角a很小时），耳朵的方向感和距离感最好，此时时间差最大，同时左右耳强度差最高（当然，强度差大小和音源与耳朵的距离也有关-最好是音源和左右耳呈直线，同时音源非常贴近一只耳朵）- 也就是说，此时耳朵在声场定位方面的能力最强- 所以古话说，“侧耳聆听”。 _Po/a!_c3 z_?_5f_te 2） a角度升高，时间差开始减低，但是耳朵还是很好的根据时间差来做方位角定向。但是！因为方位角定向无法应付X轴对称的方位角定向；

11、所以人有耳廓，根据HRTF修正，来辨别前后。头部相关传输函数HRTF定义，看附录a. 5ad_B5)_ 2.1 正因为HRTF对前后定位的贡献，所以无HRTF修正的普通CD，你用耳塞听，你只能听到，声音好像都发生在眼前，没有发生在身后的。在左？在右？在方位角30度处？这些基本上都还可以听出来。但是听起来就是没有身后发出的声音。 w_0r#V/ 2.2 如何解决前后定位问题？用人头录音来做HRTF修正。看附录a. Ul *_Nm X_=OJgy_O/ OD_q_WXw_# 3） a角度升高，左右耳强度差开始降低，人耳开始逐渐根据经验声音强度差来判断距离，此时耳朵对距离远近的定位效果开始减退。所以

12、老话说：听宽声场易，听纵声场难。 更有甚者： 花百万买箱子声音的接像退后一米。 呵呵，一句话，因为耳朵对于a角接近90度的声音的距离感只能凭经验来判断距离，所以实际上，耳朵对于正前方的声音的声场定位的能力非常薄弱的。 不过，生物的进化是非常perfect的，一般而言，眼睛对距离的定位能力远远高于耳朵，但是眼睛视野不够广；所以人两侧长了耳朵，主要是用来做方位角定向，然后脖子转动，眼睛定位目标距离。 c_vf#Cu _ 4q5_bW+$Xj 顺便，06年这个人的疑问，得到了解决。http:/www.此网址已经被禁/read.php?tid=315337 (%_g&D _2_L_t_s= 歇口气，下

13、面即将开始讲解：录音所记录的声场，耳机/耳塞的声场，箱子为何能扩大声场。基本上采用数学推算了，各位届时可要打起精神. aX ut& RK_r_3 _;|_soc:aH _;CGoN|_ Ct|iZLhj OK，你现在坐在两个对称箱子的正对面的中间，黄金位置上。如果麦克风纪录的时间差信息无误，那么你在这个位置上听录音，时间差不会改变很简单，正因为你正坐在黄金位置上，那么左箱子到达你左耳的时间和右箱子到达你右耳的时间基本上是同时，所以唯一的时间差就是当时麦克风录音室后的左右声道时间差。箱子，很好地为坐在中间黄金位置的你再现了 有时间差所控制的 方位角a的定位。 b0 PF7PEEQ H_S=_t3

14、 如果你位置坐片偏差了，比如靠左了，那么箱子到达你左右耳的时间就有误差，此误差导致了你对录音的那个音源的方位角的定位的误差。 _+QtK 5M 方位角对了，不是万事大吉，最主要的，也是最难的，就是强度差要搞对。还记住文章开头的那句总结么？ Xl_V#_)JX_ _v_bmi_,U “强度差越大，表明音源越近，你的大脑越容易判断出大概距离。 %G2w6_ 3M 强度差越低，表明音源越远，你的大脑越难判断出大概距离。- 比如打雷，左耳朵和右耳朵基本上听到的是相同强度的声音，于是你迷糊了，究竟这个雷，打在10KM处还是100KM处？天知道！唯独知道-我靠，好远啊，好宽的声场啊!” pu0I_hDMn

15、 _i _Ne;h| Ow_o2DsT t 实际上，这里有一个相互很有哲学性的制约的要素：那就是强度差越大，表明音源越近，定位越清晰，但是声场越小。反之，那就是强度差越小，表明音源越远，定位越不清晰，但是声场越大。 4PH/_ vYKK_v_%LE 所以，玩HIFI就是玩平衡，你要结像定位清晰，那就要牺牲声场。 否则，你要声场牛B要无边无际，对不起，结像定位那就抱歉点了。-请吃透这句话！也算不枉看这么多文字！ 8uP,_#DwZ (w_E_N $.a B_: aOEj 这样的话，我们就可以非常方便的计算出此时左右耳朵接受到的声音强度差。 _9E_f_M_ _f*,jh_J_I 左右耳朵接受到的

16、声音强度差 IDQ_hB VUpa_R_ 1) Delt P=P3-P4 0x7F%_2 Ls ;Q_Jc 2) P3=P1/L32+P2/ L42 hi_q7e*Nsb B_gR_fy2: 3) P4= P2/L32+P1/ L42 0zQ_5e?qy _cyrVz4_a 4) P1=P0/L12 _R_fH.W_Xi !Voykwx 5) P2=P0/L22 /kV3R_w+_ E_ _Q L 结合者5个等式，可以推算出（经过就不写了，很简单,有兴趣自己去算） Hdv_tgss! 8T6_L_D Delt P=Po*( L22 L42+ L12 L32 - L22 L32 - L12 L4

17、2)/ (L12 L22 L32 L42) F6 mc_n NSe H u k 考虑到L3约等于L4, 可以看出，Delt P接近0，也就是说，此时听箱子的左右耳朵，强度差比较低，强度差越低，表明音源越远，大脑越难判断出大概距离，但是声场很大。 _xgDd5W = ba5,?FVI 第四节 再看一下耳塞/耳机方面的重放情况： f( M_$m,_d #jrtsv_ 耳塞和耳机重放，有一个很大的特点，就是左耳朵只能听到左耳塞；右耳朵只能听到右耳赛 (KK是一个例外，KK和箱子一样，左耳朵可以听到左单元和右单元；右耳朵也可以听到右单元和左单元；)。那么箱子那个图中的L4不附存在，L3则是指耳膜和耳机

18、/耳塞单元的距离（很小），此时： HQp_0NC l7h6R$7; 0 左右耳朵接受到的声音强度差 _M)x6m|.= L_Nz_ 1) Delt P=P3-P4 _e_picY_ V0)bP_cS_/ 2) P3=P1/L32 Z_L_j_EH7_ SfS_b| 3) P4= P2/L32 tJG+k_)EE_ psZ_cq 4) P1=P0/L12 c_E;vr 4wMZNa_ _oiI_l#C 第五节：大总结！ _!PAY/ 写到这里，基本上快结束了。最后总结几句吧： tJ4耳机塞子，但是塞子有声场。 U_KnjoS 2）不管是箱子还是耳机塞子，对于方位角的定位都很准确，只要AD/DA时

19、钟精确的话。否则时钟不准（存在jitter），那么肯定影响时间差，进而影响方位角的定位。 u(_f_Z_ 2） 如要想要听声场，可以，耳机赛子的话，有个办法，把塞子拔出来点；把耳机掰开来点，这样L3就大了，于是Delt P下来了。后遗症就是，结像和距离定位感就差了。 _=O1n HP_%EU, 4） 为啥箱子比耳机自然？耳机比塞子自然？ 很简单，第一：声场大；第二：听箱子HRTF全效工作；听耳机HRTF半效工作；听塞子，HRTF基本不工作（只是塞子头和鼓膜的那么一丁点耳道贡献了点HRTF. gTgoS:M_O 5） 除非人头录音，否则塞子/耳机听不到来自后面的声音，最多听到的是和你耳朵平行的声

20、音。 _xmEo_m_ 6） 双声道的箱子，不可能听到来自后面的声音。一定要听，5.1声道登场！ NQCe0S+p_ 7）只要认真看完全文，那么引子里面的6个问题也就一一可以自己解答了，我也懒得再泼妈。 _ J_WkV1 _P;_j ;BqCjS%_N 写累了！ 但是很欣慰！终于把声场写完了。壮举！壮举啊！ Rj _H68=n 1og_+(mBL !4cY4_o VHYwO!_x l BhX 附录a: 人头录音 |6b_cb_t ,c _ nW_ 一种更先进的录音技术。其目的是用耳机时把虚拟的声音变的更加真实。过耳机的朋友大多知道，耳机重播音乐的效果和喇叭有很大的不同，特别是在“音场”方面。耳机虽然也能营造出音场的效果，但远不如喇叭自然。“耳机